물 분자는 우리 주변의 물질을 정의합니다

아니면 이야기가 진행됩니다.

오늘 에 발표된 새로운 논문 자연 이러한 패러다임을 뒤집고 많은 생물학적 물질의 특성은 실제로 이러한 물질에 스며드는 물에 의해 생성된다고 주장합니다. 물은 고체를 생성하고 그 고체의 특성을 정의하는 동시에 액체 특성을 유지합니다. 논문에서 저자는 이러한 물질과 기타 물질을 '수화 고체'라고 부르는 새로운 종류의 물질로 분류합니다. 그들은 '고체 상태를 정의하는 특성인 구조적 강성을 수화 고체에 침투하는 유체로부터 얻습니다.'라고 말합니다. 생물학적 물질에 대한 새로운 이해는 수년간 과학자들을 괴롭혔던 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다.

나는 이것이 과학에서 정말 특별한 순간이라고 생각합니다'라고 생물과학과 물리학 교수이자 논문의 저자 중 한 명인 Ozgur Sahin이 말했습니다. '매우 다양하고 복잡한 것을 간단한 설명으로 통합하는 것입니다. 큰 놀라움이자 지적 즐거움입니다.\

최근 컬럼비아 물리학과에서 박사 과정을 마쳤으며 이번 연구의 저자인 스티븐 G. 해럴슨(Steven G. Harrellson)은 팀의 발견을 건물의 비유를 사용하여 다음과 같이 설명했습니다. 블록은 이를 지탱하는 강철 프레임이고, 분자 빌딩 블록 사이에 있는 물은 강철 프레임 내부의 공기입니다. 우리는 일부 고층 건물이 강철 프레임이 아니라 프레임 내부의 공기에 의해 지지된다는 사실을 발견했습니다.'

'이 아이디어는 믿기 어려워 보일 수도 있지만 미스터리를 해결하고 재료에 흥미로운 현상이 존재하는지 예측하는 데 도움이 됩니다.'라고 Sahin은 덧붙였습니다.

물이 액체 형태일 때 그 분자는 질서와 무질서 사이에서 균형을 잘 유지합니다. 그러나 생물학적 물질을 형성하는 분자가 물과 결합하면 균형이 질서를 향해 기울어집니다. 즉, 물은 원래 상태로 돌아가기를 원합니다. 결과적으로 물 분자는 생물학적 물질의 분자를 밀어냅니다. 수화력이라고 불리는 미는 힘은 1970년대에 확인되었지만 생물학적 물질에 미치는 영향은 제한적인 것으로 생각되었습니다. 따라서 수화력이 생물학적 물질의 특성을 거의 전적으로 결정하는 요소라는 이 새로운 논문의 주장은 그것이 얼마나 부드럽거나 단단한지를 포함하여 놀라운 일입니다.

우리는 생물학적 물질이 주변 수분을 흡수한다는 사실을 오랫동안 알고 있었습니다. 예를 들어, 습도가 높을 때 팽창하는 나무 문을 생각해 보십시오. 그러나 이 연구는 주변 물이 우리가 지금까지 알고 있던 것보다 목재, 곰팡이, 식물 및 기타 천연 재료의 특성에 훨씬 더 중심적이라는 것을 보여줍니다.

연구팀은 물을 전면과 중앙으로 가져오면 친숙한 유기 물질이 나타내는 특성을 매우 간단한 수학으로 설명할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 물이 유기물과 어떻게 상호작용하는지에 대한 이전 모델에서는 재료의 특성을 예측하기 위해 고급 컴퓨터 시뮬레이션이 필요했습니다. 팀이 발견한 공식의 단순성은 이러한 속성을 예측할 수 있다는 점에서 그들이 뭔가를 하고 있음을 암시합니다.

한 가지 예를 들자면, 팀은 다음과 같은 간단한 방정식을 발견했습니다. E=Al/λ 습도, 온도, 분자 크기 등의 요인에 따라 재료의 탄성이 어떻게 변하는지 깔끔하게 설명합니다. (E 이 방정식에서 는 재료의 탄성을 나타냅니다. A 환경의 온도와 습도에 따라 달라지는 요소입니다. l 생물학적 분자의 대략적인 크기이며 λ 수화력이 힘을 잃는 거리입니다.

Harrellson은 '이 프로젝트에 더 많이 참여할수록 답이 더 단순해졌습니다.'라고 Harrellson은 말하면서 '과학에서는 매우 드문 경험'이라고 덧붙였습니다.

새로운 발견은 휴면 박테리아 세포인 포자의 이상한 행동에 대한 사힌 교수의 지속적인 연구에서 나왔습니다. 수년 동안 사힌과 그의 학생들은 포자가 물을 가하면 강하게 팽창하고 물을 제거하면 수축하는 이유를 이해하기 위해 포자를 연구해 왔습니다. (몇 년 전 사힌과 동료들은 포자로 구동되는 소형 엔진 같은 장치를 만드는 능력을 활용해 언론의 보도를 받았습니다.)

2012년쯤 사힌은 한 걸음 물러나 포자가 왜 그렇게 행동하는지 알아보기로 결정했습니다. 그는 당시 그의 연구실 멤버였던 새로운 논문의 저자인 연구원 Michael S. DeLay와 Xi Chen과 합류했습니다. 그들의 실험은 포자의 신비한 행동에 대한 해결책을 제시하지 못했습니다. '우리는 시작했을 때보다 더 많은 미스터리를 안고 끝났습니다'라고 Sahin은 기억합니다. 그들은 막혔지만 그들이 직면한 미스터리는 추구할 가치가 있는 무언가가 있다는 것을 암시하고 있었습니다.

수년간 잠재적인 설명을 숙고한 후, Sahin은 팀이 계속 직면했던 미스터리를 수화력이 포자 내에서 물이 이동하는 방식을 지배한다면 설명할 수 있다는 생각이 들었습니다.

팀은 아이디어를 테스트하기 위해 더 많은 실험을 수행해야 했습니다. 2018년에는 현재 데이터 분석 회사인 Palantir의 소프트웨어 엔지니어인 Harrellson이 프로젝트에 합류했습니다.

'처음에 프로젝트를 시작했을 때는 불가능할 정도로 복잡해 보였습니다. 우리는 각각 만족스럽지 못한 공식을 가지고 있는 여러 가지 다른 효과를 설명하려고 했습니다. 일단 수화력을 사용하기 시작하면 기존 공식이 모두 제거될 수 있었습니다. 수분 공급력이 남아서 마침내 발이 땅에 닿는 듯한 느낌이 들었습니다. 정말 놀라운 일이었고, 큰 안도감을 느꼈습니다.”라고 그는 말했습니다.

이러한 실험의 결과는 팀과 공동 작업자를 이 논문으로 이끌었습니다. Harrellson, DeLay, Chen 및 Sahin 외에도 이 논문의 다른 저자로는 Ahmet-Hamdi Cavusoglu, Jonathan Dworkin 및 Howard A. Stone이 있습니다. 연구에 공헌한 시카고 로욜라 대학교의 아담 드릭스(Adam Driks)도 연구가 완료되기 전에 세상을 떠났습니다. 연구 자금은 미국 에너지부의 과학 및 기초 에너지 과학실에서 제공되었습니다. 해군 연구실 제공; 국립 보건원에 의해; David와 Lucile Packard Fellows 프로그램이 있습니다.

이 논문의 발견은 우리 주변의 엄청난 양의 세계에 적용됩니다. 흡습성 생물학적 물질, 즉 물이 들어오고 나갈 수 있는 생물학적 물질은 잠재적으로 모든 생명체를 포함하여 우리 주변의 살아있는 세계의 50%에서 90%를 구성합니다. 세상의 나무뿐 아니라 대나무, 면, 솔방울, 양모, 머리카락, 손톱, 식물의 꽃가루, 동물의 외피, 이들 유기체의 생존을 돕는 박테리아 및 곰팡이 포자와 같은 기타 친숙한 물질도 포함됩니다. 그리고 재현.

논문에 사용된 용어인 '수화 고체'는 주변 습도에 반응하는 모든 천연 물질에 적용됩니다. 팀이 식별한 방정식을 통해 그들과 다른 연구자들은 이제 기본 물리학 원리로부터 재료의 기계적 특성을 예측할 수 있습니다. 지금까지는 1919년부터 과학자들에게 알려진 잘 알려진 일반 기체 방정식 덕분에 주로 기체에 대해 적용되었습니다.^일 세기.

'숲 속을 산책할 때 우리는 주변의 나무와 식물을 전형적인 고체로 생각합니다. 이 연구는 우리가 실제로 그러한 나무와 식물을 설탕과 단백질을 제자리에 유지하는 물의 탑으로 생각해야 함을 보여줍니다.' 사힌은 '정말 물의 세계다'라고 말했다.